电动小车最终专项方案版.doc

一、任务
设计并制作一种简易智能电动车，其行驶路线示意图如下：

 二、规定
1、基本规定
（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”铺设白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm、长度不等薄铁片。电动车检测到薄铁片时需及时发出声光批示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到薄铁片数目。
（2）电动车到达B点后来进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。C点下埋有边长为15cm正方形薄铁片，规定电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续声光信息。
（3）电动车在光源引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必要在两个障碍物之间通过且不得与其接触。
（4）电动车完毕上述任务后应及时停车，但全程行驶时间不能不不大于90秒，行驶时间达到90秒时必要及时自动停车。
2、发挥某些
（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间距离。
（2）电动车进入停车区域后，能进一步精确驶入车库中，规定电动车车身完全进入车库。
（3）停车后，能精确显示电动车全程行驶时间。
（4）其他。
三、评分原则

项 目
满分
基本规定
设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及关于设计文献，测试办法与仪器测试数据及测试成果分析
50
实际完毕状况
50
发挥某些
完毕第（1）项
15
完毕第（2）项
17
完毕第（3）项
8
其他
10
四、阐明
1、跑道上面铺设白纸，薄铁片置于纸下，铁片厚度为0.5～1.0mm。
2、跑道边线宽度5cm，引导线宽度2cm，可以涂墨或粘黑色胶带。示意图中虚线和尺寸标注线不要绘制在白纸上。
3、障碍物1、2可由包有白纸砖构成，其长、宽、高约为50cm 12cm 6cm，两个障碍物分别放置在障碍区两侧任意位置。
4、电动车容许用玩具车改装，但不能由人工遥控，其外围尺寸（含车体上附加装置）限制为：长度≤35cm，宽度≤15cm。
5、光源采用200W白炽灯，白炽灯泡底部距地面20cm，其位置如图所示。
6、规定在电动车顶部明显标出电动车中心点位置，即横向与纵向两条中心线交点。
一、方案选取与论证
1 、运动方式 选取
普通运动办法有轮式和履带驱动式两种，其选取依赖于路面状况、机械复杂性和控制复杂性。
方案一：采用四轮 —— 常用汽车构造模式
特点是一种马达作为动力，通过变速箱驱动后轮；另一种马达转动导向轮来决定行驶方向。长处是在直道行驶速度较快、方向和速度互相独立。 缺陷为转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精准控制。
方案二：采用履带式构造
特点：两个电机分别驱动两条履带。长处是可以在原地转动；在不平路面上性能稳定，牵引力大。缺陷为速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力很大；能量损耗大，机械构造复杂。
咱们选取方案一
2 、电机驱动调速方案论证
电机驱动调速方案控制目的是实现电动机正、反转及调速
方案一：电阻网络或数字电位器调节分压
采用电阻网络或数字电位器分压调节电动机电压。但电动机工作电流很大；分压不但会减少效率，并且实现很困难。
方案二：采用继电器开关控制
采用继电器控制电动机开或关，通过开关切换调节车速。长处是电路简朴，缺陷是响应时间慢、控制精度低、机械构造易损坏、寿命较短、可靠性低。
方案三： H 型 PWM 电路
采用电子开关构成 H 型 PWM 电路。 H 型电路保证了简朴实现转速和方向控制；用单片机控制电子开关工作占空比，精准调节电动机转速。最后选取方案三。
3 、路面探测方案论证
探测路面黑线原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白线反射系数不同，可依照接受到反射光强弱来判断传感器和黑线相对位置。
方案一：采用可见光发光二极管和光敏二极管
采用普通可见光发光管和光敏管构成发射－接受电路。其缺陷在于易受到环境光源影响。即便提高发光管亮度也难以抵抗外界光干扰。
方案二：采用反射式红外发射－接受器
采用反射式红外发射－接受器。直接用直流电压对发射管进行供电，其长处是实现简朴，对环境光源抗干扰能力强，在规定不高时可以使用。
方案三：采用脉冲调制红外发射－接受器
在方案二基本上采用脉冲调制发射。由于环境光干扰重要是直流分量，因而如果采用带有特定交流分量调制信号，则可在接受端采用相应手段来大幅度减少外界干扰。缺陷是实现复杂﹑成本高。
依照本题目中对探测地面规定，由于传感器可以在车体下部，发射、接受距地面都很近，外界光对其干扰都很小。在基本不影响效果前提下，为了简便起见，咱们选用了方案二。
4 、障碍物探测模块
方案一：超声波探测
采用超声波器件。超声波波瓣较宽，一种发生器就可以监视较宽范畴。其长处为抗干扰能力强，不受物体表面颜色影响。缺陷为实现电路复杂，且用普通测量办法在较近距离上有盲区。
方案二：光电式探测
采用光电式发射、检测模块。由于单个发射器照射范畴不能太小，因而不使用激光管。用波瓣较宽脉冲调制型红外发射管和接受器。其长处是电路实现简朴，抗干扰性较强。
由于题目中已知障碍物外表为白色，有助于红外线反射。同步从电路实现难易限度上考虑，咱们最后选取了方案一。
5 、寻光定向模块
题目条件是在终点线后放置 200W 白炽灯用以指向，因而采用普通光敏三极管进行检测。
方案一：车转式安装
采用固定方向安装方式。将两个光敏三极管固定在车头左右两边指向前方，当车头对准光源时，两传感器输出平衡当车方向不准时，通过两传感器输出差别控制车原地转向来寻找光源。
方案二：模仿雷达扫描
用装在车底盘上步进电机带动圆盘左右扫描，装在圆盘上光敏传感器通过扫描 ，可以准拟定位光源。

咱们采用了方案一。
6 、车轮检速及路程计算模块
方案一：磁感应式
采用霍尔元器件（霍尔元器件应用霍尔效应，输出量与磁场大小关于）并在车轮上安装磁片，运用位置固定开关型霍尔元器件来检测车轮转动，通过单位时间内脉冲数进行车速测量。
方案二：光反射式
采用反射式红外器件。在车轮轮辐面板上均匀画出黑底白线或白底黑线，通过正对线条反射式红外器件，产生脉冲。通过对脉冲计数测速。
方案三：光对射式
采用对射式红外传感器。在轮辐面板上均匀刻出孔，在轮子两侧固定相对红外发射、接受器件。在过孔处接受器可以接受到信号。从而轮子转动时可以产生持续脉冲信号，通过对脉冲计数进行车速测量。
选取了方二。
7 、供电电源选取
空
8 、方案论证总结
综上所述，本设计方案如图 1 所示。

二、硬件设计与实现
1 、电动机 PWM 驱动模块电路设计与实现
详细电路如图 2 所示。本电路采用是基于 PWM 原理 H 型驱动电路。采用 H 桥电路可以增长驱动能力，同步保证了完整电流回路。

图 2 H 型驱动模块设计
当 为高电平， 为低电平时， 、管导通， 、管截止，电动机正转。当 为低电平， 为高电平时， 、管截止， 、管导通，电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流，通过四个保护二极管 D1 、D2 、D3 、D4 接入回路，防止电子开关被反向击穿。
采用 PWM 办法调节马达速度，一方面应拟定合理脉冲频率。脉冲宽度一定期，频率对电机运营平稳性有较大影响，脉冲频率高马达运营持续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在 50Hz 以上，电机转动平稳，但智能车行驶时，由于摩擦力使电机转速减少，甚至停转。当脉冲频率在 10Hz 如下时，电机转动有明显跳动现象，经重复实验，本车在脉冲频率为 15 ～ 20Hz 时控制效果最佳。为以便测量及控制，在实际中咱们采用了 20Hz 脉冲。
脉宽调速实质上是调节加在电机两端平均功率，其表达式为：

式中 P 为电机两端平均功率； 为电机全速运转功率； K 为脉宽。
当 K=1 时，相称于加入直流电压，这时电机全速运转， ；当 K=0 时，相称于电机两端不加电压，电机靠惯性运转。
当电机稳定开动后，有
(f 为摩擦力 )
则
因此，
由上式可知智能车速度与脉宽成正比。
由上述分析， 、这对控制电压采用了 20Hz 周期信号控制，通过对其占空比调节，对车速进行调节。同步，可以通过 、切换来控制电动机正转与反转。
在实际调试中，咱们发现由于桥式电路中四个三极管参数不一致，使控制难度加大，因而咱们用专用电机驱动管 L298 构成。

图 3 L 298 内部电路
使用一片 L298 便可完毕对两路电机控制。

图 4 用 L298 实现双路电机驱动
驱动信号由单片机 P1.1~P1.4 口输出，同步使用一片 74HC08 驱动 LED 完毕行驶状态批示。
在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因而，在这样系统中，总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算解决后，对控制对象输出通道接口。
依照单片机输出和控制对象实现控制信号规定，后向通道具备如下特点：
（1） 小信号输出、大功率控制。依照当前单片机输出功率限制，不能输出控制对象所规定功率信号。
（2） 是一种输出通道。输出伺服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中状态反馈信号普通是作为检测信号输入前向通道。
（3） 接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。但后向通道是一种输出通道，并且输出电平较高，不易受到直接损害。但这些干扰易从系统前向通道窜入。
单片机在完毕控制解决后，总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态重要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于某些模仿量控制系统，则应通过数／模转换成模仿量控制信号。
依照单片机输出信号形态及控制对象规定，后向通道应解决：
（1） 功率驱动。将单片机输出信号进行功率放大，以满足伺服驱动功率规定。
（2） 干扰防治。重要防治伺服驱动系统通过信号通道﹑电源以及空间电磁场对计算机系统干扰。普通采用信号隔离﹑电源隔离和对功率开关实现过零切换等办法进行干扰防治。
（3） 数/模转换。对于二进制输出数字量采用D/A变换器；对于频率量输出则可以采用
本设计调速采用PWM调速[5]：
为顺利实现电动小汽车左转和右转，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路构造式有H型、T型等类型。咱们在设计中采用了惯用双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管构成桥式电路。图3.4为双极式H型可逆PWM变换器电路原理图。
4个电力晶体管基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同步导通和关断，其驱动电路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同步动作，其驱动电压Ub2=Ub3= -Ub1。
双极式PWM变换器长处如下：
（1）电流一定持续；
（2）可使电动机在四象限中运营；
（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
（4）低速时，每个晶体管驱动脉冲仍较宽，有助于保证晶体管可靠导通；
（5）低速平稳性好，调速范畴可达0左右。
1、脉宽调制原理：
脉宽调制器自身是一种由运算放大器和几种输入信号构成电压比较器。运算放

图3.4 双极式H型可逆PWM变换器电路原理图
大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性变化时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完毕了把持续电压变成脉冲电压转换作用。加在运算放大器反相输入端上有三个输入信号。一种输入信号是锯齿波调制信号，另一种是控制电压，其极性大小可随时变化，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器输出端得到周期不变、脉宽可变调制输出电压。只要变化控制电压极性,也就变化了PWM变换器输出平均电压极性,因而变化了电动机转向.变化控制电压大小,则调节了输出脉冲电压宽度,从而调节电动机转速.只要锯齿波线性度足够好,输出脉冲宽度是和控制电压大小成正比.

2 、路面黑线探测模块设计与实现
为了检测路面黑线，在车底前部安装了三组反射式红外传感器。其中左右两旁各有一组传感器，由三个传感器构成“品”字形排列，中轴线上为一种传感器。由于若采用中部一组传感器接法，有也许出
现当驶出拐角时将无法探测到转弯方向。若有两旁传感器，则可以提前探测到哪一边有轨迹，以便程序判断。采用传感器组目是防止地面上个别点引起误差。组内传感器采用并联形式连接，等效为一种传感器输出。取组内电压输出高值为输出值。这样可以防止黑色轨迹线上浮现浅色点而产生错误判断，但无法避免白色地面上深色点导致误判。因而在软件控制中进行计数，只有持续检测到若干次信号后才以为是碰见了黑线。同步，采用探测器组形式，可以在其中一种传感器失灵状况下继续工作。中间一种传感器在寻光源阶段启动，用于检测最后黑线标志。
在实验场地上测试时发现中路传感器功能完全可由左右两路传感器结合软件来实现，故采用此法来实现。
每个寻迹传感器由三个 ST178 反射式红外光电传感器构成，内部由高发射功率红外光电二极管和高敏捷度光电晶体管构成，详细电路如图 5 。

参照图：
探测到黑色时输出为高，输出电压随探测物体表面颜色深度减小而减少。其外形尺寸为 6.5mm * 5mm ，因而采用“品”字形排列时，横宽为 13mm 左右。为了防止光束照射范畴超过轨迹线，将三个探测器接受管集中在中部。图中两个电阻分别用于调节发射管功率和接受管敏捷度。
为了防止环境光影响，将其安装在接近地面约 10mm 高度位置上并蒙上用曝光胶卷制成遮光片以减小影响。在此条件下测得对白色地面输出值约为 0.8V ，对黑色地面输出值约为 4.1V ，保证差值为 2V 以上。测得值由 4051 选取， ADC0820 进行 A/D 采集。
3 、障碍物探测模块
（1）传感器比较[3]
辨认障碍首要问题是传感器选取，下面对几种传感器优缺陷进行阐明（见表3.1）。探测障碍最简朴办法是使用超声波传感器，它是运用向目的发射超声波脉冲，计算其来回时间来鉴定距离。该办法被广泛应用于移动机器人研究上。其长处是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精准测量。但是在ITS系统中除了上文提出场景限制外，尚有如下问题。一方面因其只能在10m以内有效使用，因此并不适合ITS系统。此外超声波传感器工作原理基于声，虽然可以使之测达100m远，但其更新频率为2Hz，并且尚有也许在传播中受到它信号干扰，因此在CW/ICC系统中使用是不实际。
表3.1 传感器性能比较
传感器类型
优  点
缺  点
超声波
视觉
激光雷达
MMW雷达
价格合理，夜间不受影响。
易于多目的测量和分类，辨别率好。
价格相合理，夜间不受影响
不受灯光、天气影响。
测量范畴小，对天气变化敏感。
不能直接测量距离，算法复杂，解决速度慢。
对水、灰尘、灯光敏感。
价格贵
视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其长处是尺寸小，价格合理，在一定宽度和视觉域内可以测量定各种目的，并且可以运用测量图像依照外形和大小对目的进行分类。但是算法复杂，解决速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。重要长处是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格减少，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比问题。
（2）超声波障碍检测[4]
超声波是一种在弹性介质中机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。运用超声波特性，可做成各种超声波传感器，结合不同电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。
作为超声波传感器材料，重要为压电晶体。压电晶体构成超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同步它接受到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接受器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，惯用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。
本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体检测元件，其中心频率为40Hz，由80C51发出40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz脉冲超声波，如电动车前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接受器接受，经LM318两级放大，再经带有锁相环音频解码芯片LM567解码，当LM567输入信号不不大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机解决。超声波检测如图3.3超声波检测电路所示。
图 3.3 超声波检测电路

。题目给定障碍物高度为 6cm ，则传感器固定高度应低于 6cm
用三个传感器模块进行探测，分别相应正前方、左前方、右前方。

图 6 探障模块位置图
由于车体为 24cm × 14cm ，则车体以中心点为圆心转动时车体中心距边沿最大距离为 14cm 。由于探测头在车边沿，因而，将探测范畴定为 10cm ，为此需要调节发射强度和调节接受敏捷度。

4、传感器监测电路金属
采用霍尔 开关电路 44E。其输入为磁感应强度，输出为数字电压信号，开关速度快，无瞬间抖动。电路实现如图 8

5 、寻光定向模块
（1）光电传感器
外光效应器件
外光效应器件为光敏传感器中比简朴敏感元件。当有一定量光线作用时，外光电效应器件短路，使 为高电平输出，平时为低电平。
外光效应器件为小车顺利通过障碍物，进入停车区时对车库光源监测。我准备了两个光传感器对车库光源进行校准。当光传感器距光线源 时，同步途中没有障碍物阻挡光线传播，光接受器为高电平。因此我运用两个光传感器对车库定位。如图11摆放传感器，当光源浮现时，小车就能针对光源作恰当调节。当两个接受器都为高电平时小车正前方为车库位置。
光线跟踪，采用光敏三极管接受灯泡发出光线，当感受到光线照射时，其c-e间阻值下降，检测电路输出高电平，经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。
本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头左、右两个方向，用来控制电动车行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。见图2.1 电动车方向检测电路(a)。

图2.1 电动车方向检测电路(a)
6、显示电路设计
本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示屏,并具备双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年月,另一片显示时.分. 当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离原理图如图1.
本设计中采用新型芯片EM78P458作为显示驱动器,它管脚如图3.5 EM78P458管脚简介所示,用单片机并行口控制,一种数码显示电路用4个口线,用专用驱动芯片控制可以减少对CPU运用时间,单片机将有更多时间去完毕其她功能.
图3.5 EM78P458管脚
该芯片共有20个管脚，管脚 LED1﹑LED2﹑LED3﹑LED4分别接10k电阻和三极管后与4位八段数码管5461中a1﹑a2﹑a3﹑a4四个数位选取端相连，这四个数位选取端用来产生LED选通信号。
管脚a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp分别接680欧电阻后与四位八段数码管5461中a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp相连，分别控制各段码和小数点。
管脚d0﹑d1﹑d2﹑d3接单片机并行口，通过对单片机对芯片进行控制。管脚vss串上10k电阻后与vcc管脚相接后再接+5v电源，管脚gnd接地。
该芯片所驱动显示电路如图3.6 EM78P458集成显示电路所示
显示驱动器支持动态显示，其显示功能如表4.2真值表所示，0000-1001显示从0-9数字，1010是未进位时是小数点清位，1011是进位后加小数点，1100-1111是八段共阴数码管位选。

图3.6 EM78P458集成显示电路
表4.2真值表
D3
D2
D1
D0
显示
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
0
0
0
8
1
0
0
1
9
1
0
1
0
清小数点
1
0
1
1
加小数点
1
1
0
0
a1选通
1
1
0
1
a2选通
1
1
1
0
a3选通
1
1
1
1
a4选通

7 、语音模块
为了达到节约空间及省电目，咱们采用了 ISD1420 芯片。 ISD1420 是单片，高质量，短周期录放音电路。由于录制信息存储在内部不挥发单元中，断电后可以长期保存，这将大大简便电路设计，并可以减少电力损耗。由于语音和音频信号不通过转换直接以本来状态存储到内部存储器，可以实现高质量语音复制。
ISD1420 输入取样速率为 6.4K/s ，最小录放音周期为 125ms ，共可有 160 段。 ISD1420 共有 8 条地址线，即选址范畴为 00000000~10011111 。当片内有多段音频时，通过地址线选定起始地址，当放音至结束标志时，放音结束。
MCU 地址线通过锁存器提供 ISD1420 数据地址，地址锁存后，向 PLAYE 口送入由高到低电平跳变，即可开始放音。咱们预先将每一段语音地址编成地址表，在使用时，只需从表中查处相应地址码，赋值后再发出放音指令即可。语音系统实现电路图如图 11 所示

图 11 ISD1420 应用电路
八．行车距离检测
由于红外检测具备反映速度快、定位精度高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟长处，故采用红外光电码盘测速方案。详细电路同图2.5 行车距离检测电路所示：

图2.5 行车距离检测电路
红外测距仪由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架构成。测长轮周长为记数单位，最佳取有效值为单一数值（如本设计中采用0.1米），精度依照电动车控制需要拟定。测距轮安装在车轮上，这样能使记数值精确某些。
遮光盘有一缺口，盘下方凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出某些里面分别装有红外发射管和红外接受管。遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接受管均能接受到一种脉冲信号通过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。
为实现可逆记数功能，咱们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。依照两个脉冲信号发生先后顺序与两个光电耦合器位置关系，即可计算出玩具车行驶方向（迈进或后退）。
遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光盒子里，以避免外界光线干扰，使电路不能正常工作。
测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动，同步安装在光栅一侧红外发光二极管点亮，在光栅另一侧设有红外三极管，用于接受红外发光二极管发出红外线信号。由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接受到就是一系列脉冲信号。将该信号传播到80C51单片机内部计数器计数，依照预先实测数据换算关系即可计算出电动机车行车距离。

图4.1 流程图

2.2.2.2 外围传感器
在该作品中，传感器是必不可少信号接受和发射装置，它们负责采集所有外部环境各种信息，基本上小车每一种动作都和传感器有着密切关系。 图1.9是各传感器布局图：

图1.9 电动车传感器布局图
小汽车各某些功能都与相相应传感器有着密切联系，单片机所有控制信号都根据各传感器采集到信号来判断。